认识多热源联网供热

认识多热源联网供热建环10203110218乔世嘉摘要：叙述了多热源联网供热技术的概念、国内外研究现状、特点、构成以及各种工况下多热源的运行调节等，提出了多热源联网供热技术在我国存在的问题和可能的解决方法。指出了多热源联网技术在多方面的优势和其在我国的发展前景。关键词:多热源联网，环状管网,优越性，运行调节0.引言目前，集中供热主要采用单热源枝状管网的布置形式。这种系统形式主要存在如下缺点：（1） 管网供热的可扩展能力差。对于一个供热系统，随着其热用户负荷逐年的扩大，枝状管网无法满足后期负荷的不断增加；（2） 系统安全可靠性差。系统采用单热源运行，当热源发生故障时，整个管网都处于瘫痪状态;当管网主干线某管段发生故障时，其后部用户均不能正常运行；（3） 经济性较差。在供热初期和末期，热源的供热量不能得到充分利用，从而浪费了许多能量,经济性较差。近年来，随着我国城镇供热事业的不断发展,供热管网的规模在逐渐扩大，多热源联网运行自然也就成为集中供热系统发展的方向。多热源联网技术是供热先进国家为节约能源、降低系统运行成本、提高经济效益，在合理调配热源运行综合运用水泵调速技术和控制技术的基础上发展起来的一项先进的热水管网运行技术。多热源联网运行模式到目前为止，大型热源联网运行模式主要有联络管式供热管网、串联热源供热管网、多热源环状管网3种形式。1.1联络管式供热管网联络管式供热管网是在单一热源供热管网的基础上，在管网间邻近处设置联络管而构成的，这是最早提出的一种联络形式。由于联络管一般处于各管网接近末端的地方，是管径最小、管道阻力数最大的地方，因此，当某一热源发生故障时,流过联络管的救急流量实际上是非常小的，水力工况也非常差，引起各节点的资用压头严重失调，末端用户的供热流量甚至难以满足管道防冻的要求，这也是这种方案未能推广的原因。1.2串联热源供热管网对于串联热源供热管网，它是通过热网中的热源相互间加热回水而串联起来的,一旦某一热源或某一管段发生故障，整个管网的供热能力就处于瘫痪状态，所以其安全可靠性极差。1.3多热源环状管网对于多热源环状管网，热网的主干部分为一环状管道，管径沿程不发生变化，为一特定值。各热源的热量都传递到该环网，用户通过供、回水环网压差获得流量（热量）。多热源环状管网不仅可以实现供热系统经济运行，又可使各热源有效地互为备用，提高供热系统的可靠性。多热源环状管网的优越性多热源环状管网是目前应用最多的一种供热方式，是一种值得推荐的供热模式，其优越性主要体现在以下几个方面：2.1提高了整个供热系统运行可靠性与安全性采用多热源环状管网，当热网中某一热源发生事故或停止对外供热时，其他热源能将一部分热量分配给故障热源所在的热用户，从而各热源间可以相互补充,避免了因热源事故而造成对用户停止供热的影响；而当某一管段发生故障时，可将该管段两端的分段阀关闭，除分段阀之间的用户无法供热外，其他的用户仍可从管网的另一侧供热，因此极大地提高了整个供热系统运行的可靠性与安全性。2.2充分发挥节能优势，提高供热经济性相对于单热源的枝状管网来说，多热源环状管网不但可以减少庞大设备和管网的初投资，而且实现联网运行后，可以使低热价的热源（如热电厂）在整个采暖期尽量做到满负荷运行，从而压缩高热价热源的供热量，则热力公司就可大幅度地减少热量购入费用，而获得可观的经济效益，这样有利于各热源的竞价上网，优胜劣汰，促进供热系统优化，降低运行成本,从而提高供热系统运行的经济性。2.3系统的水力稳定性好由系统水力稳定性的定义可知，提高系统水力稳定性的主要方法是相对地减少网路干管的压降，或相对地增大用户系统的压降。对于多热源环状管网，由于环形管网的允许比摩阻较小，相对地减少了网路干管的压降，而且各换热站的资用压头大，增强了系统的水力稳定性，同时多热源环状管网并网运行具有自动优化水力工况的特殊功能，可改善系统中最不利环路的供热效果，使各换热站的供热效果趋于一致，因此环状管网可以提高系统的稳定性。2.4促进高新技术的应用，提高运行管理水平国外发达的集中供热系统已实现自动化，随着我国集中供热事业的飞速发展及计算机应用的日益普及，如何克服粗放经营，提高运行管理水平，进而提高市场经济的竞争能力，唯一的出路就是从设计、施工安装到运行管理加大供热系统的技术含量。当前紧迫的任务就是大型集中供热系统应尽快实现多热源联网运行，只有在此基础上实行计算机自动监控、变频调速、信息管理、优化调度、计量收费等高新技术，我国的供热事业才能在经济、可靠和有效的目标中健康发展。协调运行的基本原则对于多热源联网的供热系统，往往都是比较大型的，其供热面积常常在几百万平方米以上。一般系统构成也比较复杂。除多个热源外，常有多种类型热负荷的需求；在连接方式上，可能既有间接连接，也有直接连接，还有不同功能的增压泵、混水泵。在这种情况下，为供热系统的合理运行提出了许多新课题：各热源是同时启动，还是递序启动？是联网运行还是摘网运行？同样，各泵站中水泵何时启动、何时关停？是起增压作用还是混水作用？在热源、水泵的不同工作状态下，系统的运行工况能不能满足用热的需求？所有这些问题，都应该通过管理层的协调运行来解决。根据这些年国内外运行实践，我认为在制定系统协调运行方案时，必须遵循以下三条基本原则。3.1热量平衡制定各热源协调运行方案，主要目的是确定哪个热源是主热源？哪些热源是调峰热源？各热源承担的供热量是多少？以及各热源的启动时间和运行时间。确定多热源协调运行方案的基本依据是热量平衡，这里所说的热量平衡，应该包括三个涵义：1）在供热期间，各热源总供热量应等于热用户总需热量；2）在各个不同外温区段，各热源的小时供热量之和应等于同一时段内热用户的小时需热量之和；3）在同一时段，每个热源的小时供热量应等于该热源所承担的用户的小时需热量。在进行热量平衡的过程中，应详细绘制当地的供热负荷延续图。根据各热源的产热设备（热电厂的供热站或锅炉房的锅炉）的供热能力，结合供热负荷延续图给出的不同外温下的需热量，制定协调运行方案。总的原则是主热源承担基本热负荷，并在整个运行期间，力争全时满负荷运行。无论是主热源，还是调峰热源，各个产热设备，凡是成本低、能耗少、效率高的应优先投运，并尽可能地延长其运行时间，以提高其经济性。为了更科学更有效地进行协调运行，通常借助优化理论编制的软件完成优化计算。我们采用遗传算法，编制了多热源联网优化运行软件，取得了很好效果。这种遗传算法，是近年来国内外得到迅速发展的一种最优化理论，它属于并行算法，即在同一时刻，可从多个方向进行搜索，不但寻优速度快，而且避免了繁杂的数学建模。将这种优化算法，移植于多热源联网的运行方案制定上，一定有广阔前景。多热源的产热设备其供热量常常与热用户的需热量不相匹配，特别是在初寒期，即在供暖初期和末期，经常出现供热量多于需热量的情形，造成不必要的能源浪费。在这种情况下，国外多采用储热罐，将多余热量储存起来，在用热需求增加时，添补热源的供热量。这种储热罐，在储热时相当于一个热用户；在对外供热时，又相当于一个热源。因此，储热罐的运行方式，应该在多热源协调运行方案的制定过程中一并考虑。北京热力集团，基于上述原因，正在多热源的供热系统上增设一个6000立方米的储热罐，届时，节能的方式又将增加一种新的手段。3.2流量平衡多热源在协调运行方案的指导下运行，供热系统的总供热量与总需热量和小时总供热量与小时总需热量的平衡比较容易实现，但各热用户的小时供热量与小时需热量的平衡却比较难实现，这里存在一个总供热量与总需热量平衡时，各热用户还要完成一个供热量再分配的问题。一般情况下，各热用户的供水温度是相等的（忽略管网温降），这时决定供热量是否满足需热量，主要取决供水量。因此，要想全面实现热量平衡，还必须进行流量平衡。这里所说流量平衡，应该包括两层涵义1） 供热系统各区段总实际循环流量应该等于该区段的理想流量；2） 各热用户的实际循环流量应该等于该热用户的理想流量。我们所说的理想流量，在设计工况下即为设计流量；在非设计工况下，则是最佳循环流量。对于多热源联网供热系统，实现各区段的实际循环流量与理想循环流量的平衡，其目的是有效划分各热源的供热区段或供热范围。核心技术手段是确定供热系统的水力汇交点。水力汇交点，一般有两种情况：一种情况是该点流体处于静止状态（通常为某一干管）；一种情况是该点成为两股流体相向流动的汇交点（一般在干管三通处）。对于均匀流动的单环供热系统，一般几个热源联网就有几个汇交点（对于多环网，每个环网至少有一个汇交点）。汇交点类似于关断阀门，相当于把一个多热源的联网系统解列为多个单热源供热系统，每个热源承担一定范围的供热面积。因此，在多热源联网时，总供热量与总需热量平衡的条件下，只要水力汇交点能按设计意图选取，那么各热源所承担的区段供热量一定会与该区段的需热量相平衡。热用户实际循环流量与理想流量的平衡，要通过流量调节来实现：在设计工况，通过初调节实现;在非设计工况，则要通过中央和局部的变流量调节来完成。3.3压力平衡在现实的供热系统中，不可能在各环路、各支线都安装流量计，因此，用流量计的测试数据判断是否达到流量平衡是困难的。但是，流量和压力二个参数，存在着确定的函数关系，而且其变化值的反映速度非常快，等于声音在水中的传播速度，即流量、压力的变化，可以在1秒钟内传递到1公里远的距离。因此，采用压力平衡，间接判断流量是否平衡，不但直观、有效而且快速，是非常理想的。多热源联网供热系统，实现压力平衡要完成的主要内容为：1） 使设定汇交点处的区段供水压力最低，回水压力最高；热用户（含热力站）的实际资用压头等于其理想资用压头；2） 各热源承担的分区供热系统，其各个恒压点压力必须在设定的数值下运行。上述的第一条，是企图说明采用压力平衡，寻找系统汇交点的方法；第二条是借用满足用户资用压头平衡来实现热用户流量的平衡；第三条则是保证全网压力稳定进而实现各热源间流量均匀分配的重要措施。多点补水与多点定压对于单热源供热系统，一般只有一个补水点，一个定压点；对于多热源联网供热系统，情况比较复杂：最常见的是有几个热源运行，就有几个补水点补水，几个定压点定压；当主热源单独运行时，常因其自身的补水量不足，需要其他热源同时补水定压。因此，多热源联网运行，一个重要特点是多点补水和多点定压。当然，也有特殊情况，当主热源补水量充足时，只主热源单点补水、单点定压的情形。对于多热源的单点补水、单点定压，其操作方法和单热源的单点补水单点定压基本上没有什么区别。这里主要讨论多点补水和多点定压的情况。在以往多热源联网运行时，往往各热源的分系统循环流量出现过大的不平衡现象（有的热源循环流量过大，有的热源循环流量过小）以及系统倒空、串气现象。这些故障的发生，基本上都是因为多点补水、多点定压的设计不合理或运行操作不当造成的。因此，多点补水与多点定压的正确设计、合理运行对于多热源联网实现流量平衡具有重要意义。4.1多热源联网系统具有多个恒压点对于单热源供热系统，具有唯一的恒压点，其位置在最靠近热源的最高建筑物的回水干管连接点上［1］。该恒压点的压力值即静水压线值应等于最高建筑物高度与供水温度相对应的饱和压力之和。对于多热源联网供热系统，由于水力汇交点的存在，实际上以汇交点为界，把多热源供热系统分成了若干个（由热源个数确定）单热源供热系统，这样，原来的最高建筑，现在只属于其中的一个单热源供热系统，而其他的单热源供热系统，将各有一个新的最高建筑。由于每一个单热源供热系统有一个唯一的恒压点，从而导致多热源联网系统有若干个恒压点。虽然各个单热源供热系统都具有相同的静水压线即同值恒压点压力，但在运行过程中，每个分系统都以各自的恒压点为轴心，呈现不同的水压分布（即水压图，见图1所示）从图1中看出，只主热源（热源1）运行时，水压图为实线（只画出热源1、2之间的水压图），这时的恒压点为O］；当热源1、2同时运行时，水压图由虚线表示，则此时有二个恒压点。】和O」由此说明，在整个运行季节，随着室外温度的变化，供热系统联网运行的热源数目也随着变化，系统恒压点的数目也跟着变化，导致系统水力工况的变化更加繁杂。在多热源联网供热系统中，了解其具有多个恒压点这一特性，对于正确分析水力工况和正确确定多点补水定压方式显得至关重要。4.2多点旁通定压通常人们把供热系统循环水泵的入口点作为系统恒压点，然而这是不对的。只要细致观察循环水泵入口点，在循环泵运行与停止状态下，其压力值不是定值就是证明。基于这种误解，把循环水泵入口点作为系统定压点定压也是不对的。对于供热规模较小，热用户建筑简单的单热源供热系统，上述作法可能不致造成太多故障，但对于多热源联网的供热系统，就必须谨慎处理了。因为由图1可知，在所有热源循环水泵停运状态下，各个循环水泵入口点的压力都相等，即为静水压线值;此时热源1循环水泵入口点压力值由气表示；当只有热源1（即主热源）启动运行时，该循环泵入口点的压力值降低变为*；当热源1、2联网运行时，热源1循环水泵入口点的压力变为气，此时气压力值大于压力值，热源2循环水泵入口点压力为b，其值低于静水压线值。从这里可以看出：不同的运行工2况，各个热源循环水泵入口点的压力值不同，其值，首先决定于该系统恒压点的位置距热源的距离，其次决定于该恒压点至热源回水干线的压力降。对于多热源的联网运行，由于运行的热源数目和恒压点数目、位置以及管网流量分布都是变数，导致各热源循环水泵入口点的压力，随时都是变动的，因此，采用该入口点进行定压点定压，势必造成定压的失真、失控，对系统的安全性形成严重威胁。热源2 汇交点1 热源1 汇交点2正丁热源3图1多热源联网的多个恒压点（注：右端水压图略）对于多热源联网运行的供热系统，正确的方法应该采用多点旁通同值定压。具体作法是：在各热源循环水泵的进出口设置旁通测压管（直径在DN25〜DN40之间），检测旁通测压管上安装的压力传感器，通过对系统补水量的控制（补水泵最好选用变频调速控制），使旁通测压管上的压力传感器的压力始终保持静水压线值。这种定压方式的优点，是在旁通测压管上控制系统恒压点压力，从而回避了热源运行数目不同进而引起系统恒压点变动的复杂性，不但准确、简便而且安全可靠。当地形平坦时，只要压力条件允许，不管有多少定压点和补水点，最理想的是采用同值定压，即各个定压点都维持同一数值的静水压线值。当地形高差大，不能实现同值定压时，可采用异值定压，即建立二个或二个以上的静压区，其方法见参考［1］。为了便于控制，补水点应靠近定压点。由于循环水泵的入口点，通常是系统压力的最低点，为便于补水，补水点常常设在该点的附近。但必须注意：循环水泵入口点的压力不宜过低，除防止系统倒空外，还应避免其压力值低于补水箱的高度，进而造成补水失控。预防的措施是，调整旁通测压管上的调节阀门（前提是压力传感器的压力值不变），使循环水泵入口点压力保持在允许范围内。这种调节是在供热系统试运行期间完成的，不必在运行过程频繁操作，因而简单方便。系统的运行调节在多热源联网的供热系统中，运行调节，包括水力工况运行调节和热力工况运行调节。水力工况运行调节，指的是在各种工况下实现系统的流量平衡，亦即压力平衡。热力工况运行调节，是指在各种工况下，实现系统热量平衡。供热系统的运行工况，主要包括设计工况、调节工况和事故工况。在多热源联网运行中，随着室外温度的不断变化，热源的运行数目（包括机组的台数）也跟着变化，因此，工况的变动将更加复杂。在这种情况下，正确掌握工况变动规律，实施合理的调节，满足供热需求，显得更为重要。5.1水力工况调节水力工况调节的目的，是实现不同调节工况下的系统流量平衡，亦即压力平衡。可采取以下步骤进行运行调节。（1） 首先制订全年运行方案。最理想的方法是通过优化调度程序软件进行。如果条件不具备，可在工程设计的基础上，尽量做到量化性的估算。（2） 调整系统工况，按既定的水力平衡点运行。在进行这一步的现场操作前，系统的定压必须正常，各循环水泵和其他功能水泵其运行台数和主要参数必须和预先制订的运行方案相一致。（3） 调整热用户流量，实现供需平衡。在系统水力平衡点的调整工作完成后，把若干个单热源的树枝状供热分系统组合成一个多热源联网环形供热系统，进行水利工况调节。5.2热力工况调节热力工况调节，实际上是通过对供热系统供、回水温度和系统循环流量的调节，实现供热量的调节，达到供热量与需热量的平衡。在实际运行中，着重进行热源和热力站（或热用户入口）2级调节。只要供水温度按照设计的调节曲线运行，在热用户系统只进行局部的流量平衡调节，即可实现供热量调节的目的。对于多热源联网，各热源应采用同一种调节方法，即采用相同的温度流量调节曲线，保证在同一室外温度下，各热源都有相同的供水温度。为实现这点，除锅炉实行燃烧自动控制外，在热源处通过旁通管进行供回水的混合也不失为一种适用的供水温度调节方法。实现各热源供水温度的一致性，主要为了便于运行管理。当各热源供水温度出现不一致时，系统的联网同样能安全运行。如果系统作到了流量平衡，则各热源的总回水温度也出现不一致，但各热源的供回水温差将相同。出现事故工况，当某一热源或某一干管不能正常运行时，将按事故工况进行调节。此时，常常采取提高某个热源（无事故）的供水温度，以最大限度减少供热量的不足，这种措施，往往能收到理想的效果。国内多热源联网技术存在的问题及可能的解决方法（1）我国多热源发展缓慢，工作阻力较大。有些城市虽然采用了多热源联网技术，但是在实际运行期间又人为把管道隔断，变成了单热源支状管网供热系统。解决方法：对联网运行以及联网后如何运行操作进行系统和深入的了解，加强实践中理论方面的指导设计和运行调节等方面知识的运用。充分认识联网运行在经济性和可靠性方面的优势。（